книги / Механика грунтов, основания и фундаменты.-1

лезным дополнением к указанным выше учебникам и справочным материалам является оригинальное учебное пособие М. В. Ма­ лышева и Г. Г. Болдырева «Механика грунтов, основания и фун­ даменты (в вопросах и ответах)», 2000 г. Наконец, следует отметить целую систему нормативных документов (СНиПов — «Строитель­ ных норм и правил»), регламентирующих важнейшие вопросы строительства, в частности в области оснований и фундаментов. В последние годы активно разрабатываются и региональные (Мо­ сква, Санкт-Петербург и др.) нормативные документы и «Реко­ мендации» к ним, учитывающие особенности фундаментостроения

вместных условиях.

Внастоящее время «Механика грунтов, основания и фундамен­ ты» представляет собой область строительной науки с развитым экспериментально-теоретическим аппаратом и обширным комплек­ сом проектно-технологических решений.

Значение механики грунтов, оснований н фундаментов в современ­ ном строительстве. В настоящее время наметилась тенденция к по­ вышению этажности зданий, увеличению габаритов сооружений

имассы технологического оборудования, что связано с увеличением нагрузок на основания. Одновременно возросли требования к каче­ ству строительства, сокращению его материалоемкости, стоимости

ипродолжительности работ. Это повышает значение правильной оценки несущей способности грунтов оснований, выбора оптималь­ ных типов фундаментов и проектирования их конструкций, обес­ печивающих нормальную эксплуатацию сооружений.

Уплотнение городской и промышленной застройки, интенсивное использование подземного пространства требуют надежной оценки влияния строительных работ на существующие здания, обоснова­ ния безопасных технологий строительства. Сложные проблемы воз­

никают в связи с резким увеличением объемов работ по реконструк­ ции зданий и сооружений.

В экономически развитых районах в условиях сложившейся городской застройки ощущается нехватка территорий с благо­ приятными грунтовыми условиями и приходится застраивать площадки, ранее считавшиеся непригодными (речные поймы, болота, овраги, свалки, места складирования промышленных отходов и т. п.). Все в большей степени строительство смещается в районы с суровым климатом и сложными грунтовыми условиями (вечная мерзлота, территории, сложенные лессовыми просадочнымн, глинистыми набухающими грунтами, слабыми водона­ сыщенными и заторфованными грунтами и т. п.). Поэтому особое значение приобретают методы улучшения строительных свойств грунтов и специальные способы строительства в особых грунтовых условиях. Очень важной проблемой является также

и

Часть 1 МЕХАНИКА ГРУНТОВ

ГЛАВА 1

СОСТАВ, СТРОЕНИЕ

ИСОСТОЯНИЕ ГРУНТОВ

1.1.Грунтовые основания. Происхождение грунтов

Всякое сооружение покоится на грунтовом основании. В зависи­ мости от геологического строения участка застройки строение основания, даже расположенных вблизи сооружений, может быть различным (рис. 1.1). Обычно основание состоит из нескольких типов грунтов, которые определенным образом сочетаются в про­ странстве (сооружения А, В, Г, Д на рис. 1.1). В частном случае основание может состоять из грунта одного типа (сооружение Б на рис. 1.1).

Сооружение и основание составляют единую систему. Свойства грунтов основания, их поведение под нагрузками от сооружения во многом определяют прочность, устойчивость и нормальную эксп­ луатацию сооружения. Поэтому инженер-строитель должен хорошо понимать, что представляют собой грунты, каковы их особенности по сравнению с конструкционными материалами (бетон, железобе­ тон, металл, кирпич и т. п.), каким образом залегают грунты в основании сооружений, что определяет свойства грунтов и грун­ товых оснований, их поведение под нагрузками и другими воздей­ ствиями.

Грунтом называют всякую горную породу, используемую при строительстве в качестве основания сооружения, среды, в которой сооружение возводится, или материала для сооружения.

Горной породой называют. закономерно построенную совокуп­ ность минералов, которая характеризуется составом, структурой

и текстурой.

Под составом подразумевают перечень минералов, составля­ ющих породу. С труктура — это размер, форма и количественное

13

происхождение грунтов детально изучено для разных условий. Про­ исхождение положено в основу классификации грунтов (ГОСТ 25100—95).

Все грунты разделяются на естественные — магматические, оса­ дочные, метаморфические и техногенные — уплотненные, закреп­ ленные в естественном состоянии, насыпные и намт.твт.те.

Магматические (изверженные) горные породы образуются при медленном остывании и отвердении огненно-жидких расплавов маг­ мы в верхних слоях земной коры (интрузивные, или глубинные, породы — граниты, диориты, габбро и др.), а также при быстром остывании излившегося на поверхность земли расплава (эффузив­ ные, или излившиеся,— базальты, порфиры и др.).

Осадочные горные породы образуются в результате выветрива­ ния, перемещения, осаждения и уплотнения продуктов разрушения исходных пород магматического, метаморфического или осадоч­ ного происхождения, образовавшихся ранее. В зависимости от сте­ пени упрочнения различают сцементированные (песчаники, доломи­ ты, алевролиты и т. п.) и несцементированные осадочные породы (крупнообломочные, песчаные, пылевато-глинистые грунты, лёссы, илы, торфы, почвы и т. п.).

Метаморфические горные породы образуются в недрах из оса­ дочных, магматических или метаморфических пород путем их пе­ рекристаллизации под воздействием высоких давлений и темпе­ ратур в присутствии горячих растворов. Наиболее типичные ме­ таморфические горные породы — сланцы, мраморы, кварциты, гнейсы.

Горные породы магматического, метаморфического происхож­ дения и сцементированные осадочные породы обладают жестки­ ми связями между частицами и агрегатами и относятся к клас­ су скальны х грунтов. Осадочные несцементированные породы не имеют жестких связей и относятся к .классу дисперсных или нескальных грунтов.

В самых верхних слоях земной коры, называемых зоной со­ временного выветривания, под влиянием колебаний температуры, изменения состояния и химического состава воды, газов, деятель­ ности растительных и животных организмов и т. п. развиваются процессы выветривания — физического, химического, органическо­ го разрушения минералов и горных пород. Продукты выветривания могут перемещаться водой или воздухом, переноситься на большие расстояния и вновь откладываться на новых территориях. Различия условий происхождения и дальнейшего изменения являются причи­ ной разнообразия строения, состава, состояния и условий залегания грунтов в верхних слоях земной коры.

К техногенным скальным грунтам относятся все природные грунты любого происхождения, специально закрепленные матери-

15

алами, приводящими к возникновению жестких связей (цементные и глинисто-силикатные растворы, жидкое стекло и т. п.). К классу нескальных техногенных грунтов относятся несцементированные осадочные породы, подвергнутые специальному уплотнению в при­ родном залегании, насыпные, намывные грунты, а также твердые бытовые и промышленные отходы (шлаки, золы и т. п.).

1.2. Состав грунтов

Состав грунтов в значительной мере определяет их физические и механические свойства. В связи с этим он достаточно хорошо изучен в разделе инженерной геологии — грунтоведении.

В общем случае, с физических позиций, грунт состоит из «грех компонент: твердой, жидкой и газообразной (рис. 1.2).

Иногда в грунте выделяют биоту — живое вещество. Это опра­ вдано с общенаучной точки зрения и полезно практически, так как жизнедеятельность организмов может оказывать существенное воз­ действие на свойства грунтов. Активизация жизнедеятельности бак­ терий, как правило, снижает прочность грунта, а их отмирание приводит к повышению его прочности. Однако пока свойства биоты не нашли отражения в моделях механики грунтов, мы будем рас­ сматривать грунт как трехкомпонентную систему.

Твердая, жидкая и газообразная компоненты находятся в посто­ янном взаимодействии, которое активизируется в результате стро­ ительства. В зоне влияния промышленных и гражданских сооруже­ ний, т. е. на относительно небольших глубинах, в грунтах обычно присутствуют все три компоненты одновременно. На больших глу­ бинах и в некоторых особых условиях грунт может состоять из двух

идаже одной компоненты. Например, в зоне вечной мерзлоты

всоставе грунта может встретиться твердая и газообразная ком­ поненты либо только твердая, если все пространство между части­ цами заполнено льдом. В зоне положительной температуры ниже уровня подземных вод грунт обычно состоит из твердой и жидкой компонент. В механике грунтов такой грунт часто называют «грун­ товой массой». Газ в условиях высокого гидростатического давле­ ния полностью растворен в воде, но может выделиться из нее при понижении внешнего давления или повышении температуры. При внешних воздействиях, например от строительства и эксплуатации

зданий, однокомпонентная система грунта может переходить в двухкомпонентную, а двухкомпонентная — в трехкомпонентную. При этом, как правило, ухудшаются свойства грунта.

Было бы сравнительно просто решать задачи фундаментостроения, если бы грунт можно было рассматривать как механичес­ кую систему, состоящую из твердого, жидкого и газообразного веществ с фиксированными независимыми свойствами каждой ком-

16

впоследствии При эксплуатагашпесжоевещество ции сооружений.

Твердые частицы грунтов состоят из породообразующих минера­ лов с различными свойствами. Ч асть минералов инертна по отношению к воде и практически не вступает во взаимодействие с растворенными в ней веществами (кварц, полевые шпаты, слюда, авгит, кремень, роговая обманка и др.). Эти минералы не меняют свойств не только при изменении содержания воды, но и в широком диапазоне температур. Очевидно, что грунты, полностью сложен­ ные такими минералами, обладают наиболее благоприятными строительными свойствами. Из инертных минералов состоят все магматические горные породы, подавляющее большинство метамо­ рфических и часть осадочных. Среди осадочных пород этими мине­ ралами сложены пески и крупнообломочные грунты, а также об­ разующиеся из них при цементации песчаники и конгломераты. Многие грунты содержат инертные минералы в значительных коли­ чествах, но наряду с минералами других групп.

Большое влияние на свойства грунтов оказывают раствори ­ мые в. воде минералы . К ним относятся галит NaCl, гипс CaS04 • 2Н20 , кальцит СаСОэ и некоторые другие. Такие распрост­ раненные горные породы, как мрамор, известняк, гипс, сложены растворимыми минералами. Растворение мрамора и известняка в естественных условиях идет очень медленно. Эти грунты традици­ онно используются как надежные основания и стойкие строитель­ ные материалы. При этом необходимо убедиться в отсутствии в основании крупных пустот. Образование кислых дождей и утечка кислот на предприятиях приводят к быстрому разрушению мрамо­ ра и известняка и как основания, и как материала сооружений, с чем

17

В археологическом культурном слое горо­ дов и современных техногенных отложениях органические образования часто залегают в ви­ де неразложивпшхся древесных остатков. Ни­ же уровня подземных вод и в засоленных грун­ тах они сохраняются в течение столетий. При понижении уровня подземных вод и доступе кислорода разложение этих остатков приводит к ослаблению грунта и несущая способность техногенных грунтов снижается. В связи с этим нужно помнить, что здания XIX в. и более

ранние в городах часто стоят на деревянных сваях. Понижение уровня подземных вод с обнажением свай ведет к деформациям фундаментов и верхнего строения через несколько лет после Дрени­ рования.

Жидкая составляющая грунтов. Свойства всех разновидностей грунтов, особенно песчаных, пылеватых и глинистых, самым суще­ ственным образом зависят от состава и содержания в них воды. Основываясь на работах А. Ф. Лебедева, А. А. Роде, П. А. Ребин­ дера, Е. М. Сергеева и др., можно выделить следующие состояния воды в грунте: кристаллизационная, или химически связанная, свя­ занная и свободная. Кроме того, вода в грунте может находиться в виде пара, который обычно относят к газообразной составля­ ющей. При отрицательной температуре вся вода или ее часть может переходить в лед.

К ристалли заци он ная вода принимает участие в строении кристаллических решеток минералов и находится внутри частиц грунта. Удаление ее путем длительного нагревания грунта может привести к разложению минералов и значительному изменению свойств грунта.

Вода, заполняющая поры грунта («норовая вода»), может рас­ творять содержащиеся в нем соли и всегда является химическим раствором обычно слабой концентрации. В некоторых районах даже в верхних слоях грунта содержание солей в воде достигает 10 г/л. Взаимодействуя с поверхностным слоем глинистых минералов, молекулы воды и ионы растворенных в ней веществ проникают в различного рода дефекты этого слоя. Происходят обмен ионов поверхностного слоя с ионами грунтового раствора, диссоциация некоторых минералов этого слоя с переходом ионов водорода в раствор. В результате на поверхности тонкодисперсных частиц возникает отрицательный электрический заряд, а вокруг самих ча­ стиц образуется электрическое поле.

Молекулы воды в целом электронейтральны, но, поскольку атомы водорода и кислорода расположены в них несимметрично, они представляют собой слабые диполи, один конец которых соот­ ветствует положительному, а другой — отрицательному заря­

19

ду. Электрическое поле поверхности частиц притягивает катионы грунтового раствора, образуя диффузные оболочки. Молекулы во­ ды, в свою очередь, ориентируются положительно заряженными концами в направлении поверхности частиц и отрицательно заря­ женными концами вокруг катионов. По мере удаления от поверх­ ности частицы силы электромолекулярного взаимодействия пада­ ют, концентрация катионов уменьшается и увеличивается концент­ рация анионов, притяжение молекул воды поверхностью частиц ослабевает.

С уменьшением сил электростатического притяжения начинают преобладать силы хаотического теплового движения ионов рас­ твора и молекул воды. Активность проявления этих процессов определяется минеральным составом частиц, химическим составом и концентрацией грунтового раствора и многими другими фак­ торами.

Молекулы воды непосредственно у поверхности частиц испыты­ вают огромные, в сотни МПа, силы притяжения. Свойства этой воды, называемой прочносвязанной водой, существенно отлич­ ны от свойств свободной во­

20